第四章泥石流.

泥石流工程地质研究工程学院岩土工程与工程地质系泥石流工程地质研究学习要求：1泥石流定义及形成条件2泥石流的基本特征3泥石流的分类4泥石流的地貌作用过程5泥石流危险度区划6泥石流的防治重点：1泥石流形成条件2泥石流的基本特征3泥石流的分类4泥石流的防治方法概述：泥石流的定义•泥石流：是发生在山区一种含有大量泥砂、石块的暂时性湍急水流。•Debrisflow；mudflow•定义从地质过程；气象水文过程来研究。•1997年美国旧金山召开第一次国际泥石流会议。中国泥石流易发分区在第一阶梯内青藏高原山区，物源条件充足，但因水源条件不充分，暴雨强度和总量均较低，故属于泥石流轻度易发区。在第三阶梯内的山区，暴雨形成强度和总量均较大，但地表植被好，物源条件不很稳定，故为暴雨泥石流中度易发区。在第二阶梯内山区，主要受纬向因素决定，大体可分为三区秦岭以南广大山地，属湿润高中山区，地形差异大，雨量丰沛、物源丰富，故为暴雨泥石流极易发区。秦岭以北、阴山以南的第二阶梯中部地区，属半干旱、半湿润地区，有大片黄土和部分沙漠覆盖，物源丰富，暴雨强度大而总量不足，是暴雨泥石流的极易发区和中等易发区相间的过度区。广大的新疆，内蒙及甘、宁一部分等第二阶梯的北部，属半干旱和干旱的高中山区，有大片沙漠、黄土、戈壁，植被稀少，物源丰富而水源不足，故为泥石流轻度易发区。1985年，哥伦比亚的鲁伊斯火山泥石流，以50公里每小时的速度冲击了近3万平方公里的土地，其中包括城镇、农村、田地，哥伦比亚的阿美罗城成为废墟，造成2.5万人死亡，15万家畜死亡，13万人无家可归，经济损失高达50亿美元。概述：泥石流的研究•我国自20世纪50年底开展了泥石流的研究•1970Johnson提出了宾汉粘性流模型•1980Takahashi提出了拜格诺膨胀模型•1986Cheng提出了粘塑性流模型•1993O’Brien提出了膨胀塑性流模型•1995年周必凡建立了粘性泥石流运动模型•1998Huang提出Herschel-Bulkley-Model以地学为基础，以数学为理论，力学机制研究为核心，以现代高新技术为依托，集成研究；泥石流危险性评价是泥石流危害预测的重要内容泥石流的形成条件流域环境地形植被松散堆积物（人为的、自然的）分散补给集中补给泥沙汇流（QH）洪水汇流（QB）河沟或坡面QB＋QH＝QCrc＜1.3tf/m3洪水rc≥1.3tf/m3泥石流泥石流形成过程框图降雨泥石流形成条件：地形条件•形成区三面环山，一面出口，周围山坡陡峻（30-60度）•流通区狭窄而深切的峡谷或冲沟，谷壁陡峻纵坡降大•堆积区一般位于山口外或山间盆地边缘，地形较缓泥石流形成条件：地质条件•地质条件决定了松散物质的来源•泥石流多发区都是地质构造复杂、岩石风化破碎、新构造运动活跃、地震频发、崩滑灾害多发地段•堆积物成因：重力堆积、风化残积、坡积、冰水沉积、人工弃渣、冲洪积等•泥石流地常见基岩：片岩、千枚岩、板岩、泥页岩和凝灰岩等泥石流形成条件：气象水文条件•强烈的暂时性地表径流•暴雨、冰雪、水体溃决•通常认为泥石流的发生与前期降雨有关，但短时间内的集中强降雨也可以引发年均降雨H24（D）H1（D）H1/6（D）代表地区（以当地统计结果为准）﹥12001004012浙江、福建、台湾、广东、广西、江西、湖南、湖北、安徽及云南西部、西藏东南部等省山区1200～800602010四川、贵州、云南东部和中部、陕西南部、山西东部、辽东、黑龙江、吉林、辽西、冀北部、西部等省山区800～50030156陕西北部、甘肃、内蒙古、京郊、宁夏、山西、新疆部分、四川西北部、西藏等省山区﹤50025155青海、新疆、西藏及甘肃、宁夏两省区的黄河以西地区可能发生泥石流的H24（D）、H1（D）、H1/6（D）的界限值表泥石流形成条件：中国泥石流分布•地质：近期构造活动强烈、复杂，地震频繁强度大，崩滑现象发育•地势：台阶式地形转折明显处，高差悬殊，起伏较大•气候：西南季风和东南季风向北、西方向推进，遇地形升高易形成灾害暴雨，历时短，强度大•特点：三个带、类型齐全、活动频繁、灾害严重泥石流分类•流域形态化分标准型、河谷型、山坡型•物质组成划分水石流、泥石流、泥水流•流体性质划分粘性、稀性•按照水源物源划分暴雨、冰川、溃决火山、破面侵蚀型、崩滑型、弃渣型标准型泥石流流域呈扇形，能明显划分出形成区、流通区和堆积区。一、按照流域形态划分河谷型泥石流流域呈狭长条形，固体物质来源于沟谷中分散的坍滑体，对流通区和堆积区不能明显分开。坡面型泥石流其流域呈斗状，无明显流通区，形成区与堆积区直接相连。二、按泥石流的物质组成分类水石流一般含有非常不均匀的石块和砂砾，粘土质细粒物质含量少，堆积物常常是很大的粗碎屑物质。泥石流既含有很不均一的粗碎屑成分，又含有相当多的粘土质组粒物质，有一定的粘结性，堆积物常形成了粘结较牢固的土石混合物。泥流基本上由细碎屑和粘土物质组成，粗碎屑物含量很少，黄土高原地区分布有此类泥石流。分类指标泥流型泥石型水石(沙)型重度≥1.60t/m3≥1.30t/m3≥1.30t/m3物质组成粉沙、粘粒为主，粒度均匀，98％2.0mm可含粘、粉、沙、砾、卵、漂各级粒度，很不均匀粉沙、粘粒含量极少，多为2.0mm各级粒度，粒度很不均匀（水沙流较均匀）流体属性多为非牛顿体，有粘性，粘度0.3～0.15Pa∙s多为非牛顿体，少部分也可以是牛顿体。有粘性的，也有无粘性的。为牛顿体，无粘性残留表观有浓泥浆残留表面不干净，表面有泥浆残留表面较干净，无泥浆残留沟槽坡度较缓较陡(10％＝5.71o)较陡（10％）分布地域多集中分布在黄土及火山灰地区。广见于各类地质体及堆积体中。多见于火成岩及碳酸盐岩地区。泥石流型泥流型水石流型三、按泥石流的流体性质分类粘性泥石流含有大量的细粒粘土物质，固体物质含量占40-60%，粘性很大。它的密度大（1.6t/m3），浮托力强。有明显的爬高和截弯取直作用，堆积区不发生散流，堆积物无分选性，较密实。稀性泥石流水是主要成分，固体物质占10-40%，且细粒物质少，不能形成粘稠的整体，水泥浆速度远远大于石块的运动速度，石块以滚动或跃移方式下泄。堆积区呈扇状散流，将原来的堆积扇切割成条条深沟。堆积物地面较平坦，结构较松散，层次不明显，沿流途的停积物有一定的分选性。性质稀性泥石流粘性泥石流•流体的组成及特性浆体是由不含或少含粘性物质组成，粘度值0.3Pa.S，不形成网格结构，不会产生屈伏应力，为牛顿体。浆体是由富含粘性物质（粘土、0.01mm的粉砂）组成，粘度值0.3Pa.S，形成网格结构，产生屈伏应力，为非牛顿体。非浆体部份的组成非浆体部份的粗颗粒物质由大小石块、砾石、粗砂及少量粉砂粘土组成。非浆体部份的粗颗粒物质由0.01mm粉砂、砾石、块石等固体物质组成。流动状态紊动强烈，固液两相作不等速运动，有垂直交换，有股流和散流现象，泥石流体中固体物质易出、易纳，表现为冲、淤变化大。无泥浆残留现象。呈伪一相层状流，有时呈整体运动，无垂直交换，浆体浓稠，浮托力大，流体具有明显的辅床减阻作用和阵性运动，流体直进性强，弯道爬高明显，浆体与石块掺混好，石块无易出、易纳特性，沿程冲、淤变化小，由于粘附性能好，沿流程有残留物。堆积特征堆积物有一定分选性，平面上呈龙头状堆积和侧堤式条带状堆积，沉积物以粗粒物质为主，在弯道处可见典型的泥石流凹岸淤、凸岸冲的现象，泥石流过后即可通行。呈无分选泥砾混杂堆积，平面上呈舌状，仍能保留流动时的结构特征，沉积物内部无明显层理，但剖面上可明显分辨不同场次泥石流的沉积层面，沉积物内部有气泡，某些河段可见泥球，沉积物渗水性弱，泥石流过后易干涸。容重1.30tf/m3～1.60tf/m31.60tf/m3～2.30tf/m3粘性泥石流稀性泥石流四、弃渣型泥石流矿渣泥石流(云南汤丹)矿山弃渣(四川盐井沟)05-7-19沐川县废碴泥石流（7死9伤）2008-9-8山西襄汾塔山铁矿尾矿库溃坝造成56人死亡泥石流的特征：堆积泥石流的堆积物一、泥石流的密度它的密度较大，达1.3-2.3t/m3。固体物质的百分含量愈高和细颗粒成分愈多，泥石流的密度愈大。沟谷纵坡降的大小与泥石流密度也有一定关系。如有较大的密度，它的浮托力大，搬运能力很强，重达数百吨的巨石也能被搬出出口，泥石流能以惊人的破坏力摧毁前进道路上的障碍物。二、泥石流的结构泥石流的结构是由其中的水体量与固体物质量之比值以及固体物质的粒径级配和矿物成分所决定的，存在三种密切相关的结构，即网格结构、网粒结构和格架结构。(1)网格结构是由粘粒和含电解质的水所构成的，属细粒浆所固有,有松散的、较紧密的、紧密的和极紧密的四种状态。随着浆体中粘粒成分的增加，自由水愈来愈少，而束缚在粘粒表面的水化膜又愈来愈薄，使粒间连结强度加大。(2)网粒结构网粒结构系由砂粒和细粒浆所构成，属粗粒浆体所固有。砂粒在松散网格结构的细粒浆体中处于沉底状态，不能形成网粒结构；而在其它三种状态下就可束缚在结构之中构成一个较均一的整体结构。含砂量愈大和细粒浆体的网格结构强度愈大，则网粒结构强度也愈大。(3)格架结构是由石块与具有网粒结构的粗粒浆体所构成，是泥石流体最主要的结构。石块在粗粒浆体中可有悬浮、支承和沉底三种状态。呈现四类格架结构：星悬型、支承型、叠置型和锒嵌型，它们的强度也依次增加。格架结构泥石流体的强度较前两种结构要大，因而它的冲击力也最大。尤其是锒嵌格架结构，当运动时整体性强，石块间不会发生猛烈的撞击，普遍发生力的传递；它的冲击力特别大，危害最为严重。三、泥石流的流态泥石流流态除受沟床条件控制外，主要受水体与固体物质量的比值以及固体物质的粒径级配所制约。流体在运动状态下，有一种抗拒内在向前运动的特性，称为粘性。粘性是流动性的反面。运动着的流体内部相邻两层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力。它是流体粘性的表现，又称为粘滞力或粘性摩擦力。流体流动时必须克服内摩擦力而作功，从而流体的一部分机械能转变为热而损失掉。粘附在上板底面的一薄层液体也以速度u随上板运动，其下各层液体的速度依次降低，粘附在下板表面的液层速度为零。实验证明：对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层的速度差△u成正比；与两层之间的垂直距离△y成反比；与两层间的接触面积S成正比，即SyuF若把上式写成等式，就需引进一个比例系数，即µSyuF=内摩擦力F与作用面S平行。单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以表示，于是上式可写成yuSF上式只适用于u与y成直线关系的场合。当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系，则上式应改写成dydu式中—速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率；—比例系数，其值随流体不同而异，流体的粘性愈大，其值愈大，所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度。dydu泥石流流体大多属似宾汉体，流动理论多以宾汉体流变方程（考虑流变性区别于牛顿体）为基础。f1f2f3f4f5ba流速梯度¦Σ0切应力（Pa）¦ΣB¦Σα主要有紊动流、扰动流和蠕动流三种。(1)紊动流紊动流与挟沙水流的紊流大体相同。尤其是稀性泥石流浆体结构十分脆弱，故其流变方程与水流紊流流变方程相同，即：dVydl式中：为切应力；为泥浆体密度；为混合长度；为流速梯度；Vd为泥石流体中距沟床底y处的流速。dydVddldydVd粘性紊流稀性连续流(2)扰动流最常见的一种流态。浆体的结构强度大，结构只遭部分破坏。若流体中无石块，流态则为塞流或层流（流速5米/秒左右）。有石块，运动中石块相互猛烈碰撞,流态便发生变化,成为扰动流,其流变方程为：m为指数，一般取2；为宾汉极限切力；为流体的粘度（似刚性系数）；20dydVlKdydVKKdmcdddw分别为泥石流运动时与结构变化和扰动强度有关的修正系数；cw0KK、、Kd(3)蠕动流是一种似层流，流线大致平行，流速0.3～0.5米/秒以下。其流变方程为：蠕动流速一般较小，流